(57)【要約】【課題】投影に支障の出ない状況を検知して、精密な３次元計測を可能とする投影装置、３次元計測装置並びにその制御方法およびプログラムを提供する。【解決手段】計測対象物体に３次元計測用パターンを投影可能な投影手段と、投影手段に関連して設けられる駆動手段と、駆動手段、投影手段の少なくとも一方の振動を検知する振動検知手段と、振動検知手段の出力として投影に支障の出る所定レベルを超えないレベルが出力される場合に３次元計測用パターンを投影手段により投影させる投影制御手段と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象物体に３次元計測用パターンを投影可能な投影手段と、
前記投影手段に関連して設けられる駆動手段と、
前記駆動手段、前記投影手段の少なくとも一方の振動を検知する振動検知手段と、
前記振動検知手段の出力として投影に支障の出る所定レベルを超えないレベルが出力される場合に、投影コマンドにより前記３次元計測用パターンを前記投影手段により投影させる投影制御手段と、
を有することを特徴とする投影装置。
【請求項２】
前記投影手段は前記３次元計測用パターンを照明する光源を有し、
前記駆動手段は前記光源を冷却する送風手段を駆動する駆動手段であることを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項３】
前記光源の温度を検知する温度検知手段を備え、
前記温度検知手段により検知される温度が所定温度を超える場合に前記駆動手段は駆動される一方、前記温度検知手段により検知される温度が所定温度を超えない場合には前記駆動手段が駆動されないことを特徴とする請求項２に記載の投影装置。
【請求項４】
前記振動検知手段は、前記駆動手段、前記投影手段の少なくとも一方の振動を検知する加速度センサであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投影装置。
【請求項５】
前記振動検知手段は、前記駆動手段の回転状態を検知するロータリーエンコーダであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投影装置。
【請求項６】
前記振動検知手段は、前記３次元計測用パターンの間隔を形成する方向の振動を少なくとも検知することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の投影装置。
【請求項７】
計測対象物体に３次元計測用パターンを投影可能な投影手段と、
前記投影手段に関連して設けられる駆動手段と、
前記駆動手段、前記投影手段の少なくとも一方の振動を検知する振動検知手段と、
前記振動検知手段の出力として投影に支障の出る所定レベルを超えないレベルが出力される場合に、投影コマンドにより前記３次元計測用パターンを前記投影手段により投影させる投影制御手段と、
前記３次元計測用パターンが投影された前記計測対象物体を撮像する撮像手段と、
撮像された前記３次元計測用パターンと投影された前記３次元計測用パターンとを対応づけることにより前記計測対象物体の表面と前記撮像手段との距離を求める距離演算手段と、
を有することを特徴とする３次元計測装置。
【請求項８】
計測対象物体に３次元計測用パターンを投影する投影手段に関連して設けられる駆動手段、前記投影手段の少なくとも一方の振動を振動検知手段により検知する振動検知ステップと、
前記振動検知手段の出力として投影に支障の出る所定レベルを超えないレベルが出力される場合に投影コマンドにより前記３次元計測用パターンを前記投影手段により投影させる投影制御ステップと、
前記３次元計測用パターンが投影された前記計測対象物体を撮像手段により撮像する撮像ステップと、
撮像された前記３次元計測用パターンと投影された前記３次元計測用パターンとを対応づけることにより前記計測対象物体の表面と前記撮像手段との距離を求める距離演算ステップと、
を有することを特徴とする３次元計測装置の制御方法。
【請求項９】
コンピュータを、請求項７または８に記載の３次元計測装置における各手段として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元計測用パターンを投影する投影手段、および該投影手段に関連して設けられる振動手段を有する投影装置、３次元計測装置並びにその制御方法およびプログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータの画像処理機能を用いた距離計測を行うシステムを構成するとき、計測用の空間符号化パターン等を計測対象物体に投影し、撮像して取り込んだ画像データを画像処理して計測対象物体の凹凸（３次元形状）の計測値を得ることができる（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１４１１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した先行技術は、３次元計測に支障の出る微振動に対して解決できるものではない。その理由は、以下の通りである。三次元計測にあたっては複数の照明パターンを順次切り換えながら撮像を繰り返すため、投影用の光源の発熱が生じる。良質な投影を行うためには光源が過熱して壊れないように冷却する必要があり、ファンモータ駆動による強制空冷に起因した微振動が生じ、３次元計測に支障の出る場合があるからである。
【０００５】
本発明の目的は、投影に支障の出ない状況を検知して、精密な３次元計測を可能とする投影装置、３次元計測装置並びにその制御方法およびプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、計測対象物体に３次元計測用パターンを投影可能な投影手段と、前記投影手段に関連して設けられる駆動手段と、前記駆動手段、前記投影手段の少なくとも一方の振動を検知する振動検知手段と、前記振動検知手段の出力として投影に支障の出る所定レベルを超えないレベルが出力される場合に、投影コマンドにより前記３次元計測用パターンを前記投影手段により投影させる投影制御手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、投影に支障の出ない状況を検知して、精密な３次元計測を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る投影装置の概略構成と、上位機（制御手段）の関係を示す全体ブロック図である。
【図２】上位機（制御手段）からのコマンドを受けて動作する本発明の実施形態に係る投影装置の動作を表すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態に係る投影装置の動作を表すタイミングチャートである。
【図４】計測対象物体の表面と撮像手段との距離を求める距離演算手段を説明するための図である。
【図５】最初にパターン長手方向が縦の投影パターンの複数組と、その後にパターン長手方向が横の投影パターンの複数組を投影することを説明する図である。
【図６】パターン長手方向が縦の投影パターンと、パターン長手方向が横の投影パターンとを順次投影することを説明する図である。
【図７】３次元計測の基本原理に関し、（ａ）は平面の計測対象物体に投影したパターンを撮像した場合を示す図、（ｂ）は凸面の計測対象物体に投影したパターンを撮像した場合を示す図、（ｃ）は凹面の計測対象物体に投影したパターンを撮像した場合を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１０】
《第１の実施形態》
（３次元計測の基本原理）
図７において、３次元計測の基本原理を説明する。図７（ａ）に示すように計測対象物体が平面である場合、パターン配列方向（パターン長手方向に直交する方向）に等間隔に配列されたパターンは計測対象物体に投影され、撮像面で撮像されたパターン像も等間隔となる。即ち、ＡＰ０＝ＢＰ０となる。また、図７（ｂ）に示すように計測対象物体が凸面である場合、パターン配列方向に等間隔に配列されたパターンは計測対象物体に投影され、撮像面で撮像されたパターン像は非等間隔となる。即ち、ＡＰ１＜ＢＰ１となる。
【００１１】
一方、図７（ｃ）に示すように計測対象物体が凹面である場合、パターン配列方向に等間隔に配列されたパターンは計測対象物体に投影され、撮像面で撮像されたパターン像は図７（ｂ）とは異なる非等間隔となる。即ち、ＡＰ２＞ＢＰ２となる。図７（ｂ）、図７（ｃ）において、夫々凸面、凹面の度合いが大きくなると、Ｐ１はよりＡに近づき、またＰ２はよりＢに近づくこととなる。
【００１２】
図４は、パターン投影と撮像における計測対象物体との関係を模式的に示す図である。図４で、３００はパターン生成部、３１０はパターン投影部、４００は撮像部、８１０は投影位置演算部である。投影位置演算部８１０は、撮像された３次元計測用パターンと、投影された３次元計測用パターンとを対応づけることにより、計測対象物体の表面と撮像手段との距離を求める距離演算手段として機能する。パターン投影部３１０に関し、投影のレンズ歪みや理想的な点光源を用いられないことによる影響で、投影されるパターン像に歪みが生じる場合があるが、事前に光学補正するか、パターン画像を補正することで影響を低減することができる。
【００１３】
（３次元計測パターン）  
種々の計測対象物体に対応するように、縞の方向（長手方向）が縦方向、横方向で、配列間隔が異なる３次元計測パターンが計測対象物体に投影され、このパターンが投影された計測対象物体を撮像して、計測対象物体の表面形状を求める。図５に示すように、最初にパターン長手方向が縦の投影パターンの複数組を投影し、その後にパターン長手方向が横の投影パターンの複数組を投影するようにしても良い。また、図６に示すように、パターン長手方向が縦の投影パターンと、横の投影パターンとを順次投影するようにしても良い。
【００１４】
なお、図５で、一つの長方形は投影パターン画像の領域を示す。白い部分が照明部分、黒い部分は非照明部分であり、投影パターンは明暗による縞状のパターンである。縦縞の模様を逐次照射し、横縞の模様を逐次照明することで、それぞれの画素値は白黒の独立したパターン列を持つことになる。これにより、投影パターン画像の座標値と、実際に計測対象物体表面の照明パターン列を照合することで、投影パターン画像の位置との対応をとることが可能となる。
【００１５】
図５では、縦縞の模様を逐次照射し、次に横縞の模様を逐次照明するようにしたが、図６では、縦縞の模様の照射と横縞の模様の照射を交互に行うこととなる。なお、図６で、ＰＰ［ｎ］はｎ番目の投影する投影パターンを示し、ｎが奇数の場合は縦縞、ｎが偶数の場合は横縞としている。これら縞状のパターンは明暗により形成されており、縞の間隔が小さい方から投影される。
【００１６】
（投影装置および上位機（制御手段））
図１は本実施形態に係る投影装置の概略構成と、上位機（制御手段）の接続関係を示す全体ブロック図である。１は投影装置であり、上位機と位置付けられる制御手段である上位機（制御手段）２からの投影コマンドを受けて、投影を実行する。投影パターンは、データ信号線を通して、上位機（制御手段）２から投影装置１に伝えられる。そして、投影パターンは投影装置の図示しないデータ部にバッファされ、投影コマンドを受信すると計測のための投影パターンとして使用される。
【００１７】
なお、本実施形態である投影装置、３次元計測装置では、独立した装置を利用しても構わない。例えば、パターン投影部３１０には、市販の液晶プロジェクタを利用することができる。撮像部４００には、市販のカメラとレンズを利用することが可能である。
【００１８】
（振動検知）
上位機（制御手段）２は、投影装置１へ投影コマンドを発行する投影装置１の上位機であり、投影装置１内の光源デバイスの冷却駆動手段が静止状態（これについては後に詳述する）であるときに投影コマンドを発行する。投影装置１内には、光源デバイスの冷却駆動手段である冷却ファン用モータ３があり、駆動することにより投影に伴い生じる光源デバイスの冷却を送風により行う。４は、振動検知するためのモータ回転検知手段であり、光電式、ブラシ式、磁気式の中から任意のロータリーエンコーダを用いる。なお、冷却ファン用モータ３は、本実施形態の投影装置１においては、唯一の振動源である。
【００１９】
（静止状態におけるパターン投影）
本発明において、「静止状態」とは振動検知手段の出力として投影に支障の出る所定レベルを超えないレベルが出力される場合をいう。本実施形態では、モータ回転検知手段において、所定時間信号変化がないときを駆動手段が静止していると判定して、その結果を上位機（制御手段）２に伝達する。図１の５は投影装置自体の投影装置制御部であり、上位機（制御手段）２からの投影コマンドを受信すると、前述したデータ部にバッファしてある投影パターンを投影するように制御する。
【００２０】
即ち、計測対象物体に３次元計測用パターンを投影可能な投影手段１に対し、上位機（制御手段）２は、上記静止状態にある場合に３次元計測用パターンを投影手段により投影させる投影制御手段として機能する。
【００２１】
６は投影部であり、光源と光学系を含んでいる。投影装置制御部５からの指示を受けると、予め設定されている時間だけ投影駆動するように構成されている。光源近傍には図示しない光源デバイスの温度検知手段が配置されていて、投影終了後に予め設定された温度以上の場合には冷却手段であるファン３を駆動して、別途設定された温度になるまで冷却動作を続けられるように構成する。そして、検知される温度が予め設定された所定温度を超えない場合には、冷却ファン用モータ３が駆動されないようにする。
【００２２】
（振動検知方向）
図７より理解されるように、パターン長手方向の振動は、計測対象物体の３次元計測への影響は少ないが、パターン長手方向に交差する方向の振動は、計測対象物体の３次元計測への影響は大きくなる。よって、パターン長手方向に交差する方向の振動を検知する構成とすることが、好ましく、本実施形態では、少なくともパターン長手方向に直交する方向であるパターン配列方向の振動を検知するように構成する。
【００２３】
（フローチャート）
図２は、上位機（制御手段）２からのコマンドにより、動作する投影装置１の動作を説明するフローチャートである。また図３は、本実施形態の動作を説明するタイミングチャートである。両図を参照しながら本実施形態における投影装置の動作を説明する。スタート時点では、冷却ファンは静止した状態のものとして、説明してゆく。この状態では、上位機（制御手段）２は、いつでも投影コマンドを発行できる状態であり、投影装置１は図２のファンが静止するのを待つステップ１を抜けて、投影コマンド待ちのステップ２に進んでいる。
【００２４】
ここで、図３のタイミングチャートｔ１のタイミングで、上位機（制御手段）２から投影コマンドが到来すると、ステップ３に進み投影を開始する。これはタイミングチャートのｔ２のタイミングである。投影コマンドには、投影時間も含まれているのでその時間を計数し、指定の時間が経過してタイミングチャートのｔ３になると、ステップ４で投影を終了する。ステップ５では投影に伴って、光源デバイスが発熱したことによって過熱状態と判定される温度を超えた状態かどうかを検知し、超えていればステップ６に進んでタイミングチャートのｔ４で冷却ファン駆動をオンにする。
【００２５】
その後、再びステップ５に戻り冷却されたとする温度になるまで、繰り返しループする。光源の温度が冷却されたと判断される温度まで下がると、ループを抜けてステップ７に進み、冷却ファン駆動をオフしてステップ１に戻る。これはタイミングチャートのｔ６のタイミングである。ここでは、ファンは弾みで回転し続けているので、図１の回転検知手段４からは上位機（制御手段）２には投影レディ信号は伝達されない。回転検知手段であるロータリーエンコーダが静止状態として回転静止を検知すると、冷却ファン静止検知信号をハイレベルにして、ステップ２に進む。
【００２６】
以下、このフローを繰り返し実行することで、投影装置１の唯一の振動源である冷却ファンが静止状態のときにのみ投影することで、微振動のない投影を行う投影装置を実現することができる。
【００２７】
以上、本実施形態では、投影装置１は、上位機（制御手段）２からの投影コマンドを受けて投影動作を行う。そして、内部に投影のための光学系と光源からなる投影部６、光源の冷却手段であるファンモータ３、ファンモータ３の静止検知手段を持たせ、投影装置自身の制御部で制御するようにしておく。
【００２８】
装置の振動源であるファンモータが静止しているか、静止していないかをファンモータの回転状態を直接検知することにより確実に振動が有りか無しかを判定する。回転していれば振動の可能性有り、回転していなければ振動は無いと判定する。そのため、ロータリーエンコーダにより回転検知し、所定時間経過しても信号変化が無ければ、静止状態と判定する。
【００２９】
《第２の実施形態》
冷却ファンの静止状態を加速度センサにより検知することでも本発明を実施することができる。本実施形態は、第１の実施形態におけるロータリーエンコーダを、ファンモータ近傍に配置した加速度センサに置き換えたものであり、第１の実施形態と重複する部分は省略する。４は駆動手段が静止しているかそうでないかを検知するための静止検知手段であり、加速度センサを用い、出力がゼロに近い規定値を静止状態と判定してその結果を上位機（制御手段）２に伝達する。
【００３０】
図２のフローチャートと、図３のタイミングチャートを参照しながら、同様に投影装置１の動作を説明する。スタート時点では、冷却ファンは静止した状態のものとして説明してゆく。この状態では、上位機（制御手段）２はいつでも投影コマンドを発行できる状態であり、投影装置１は図２のファンが静止するのを待つステップ１を抜けて投影コマンド待ちのステップ２に進んでいる。
【００３１】
ここで、図３のタイミングチャートｔ１のタイミングで、上位機（制御手段）２から投影コマンドが到来すると、ステップ３に進み投影を開始する。これは、タイミングチャートのｔ２のタイミングである。投影コマンドには、投影時間も含まれているので、その時間を計数し、指定の時間が経過してタイミングチャートのｔ３になると、ステップ４で投影を終了する。ステップ５では、投影に伴って光源デバイスが発熱したことによって、過熱状態と判定される温度を超えた状態かどうかを検知し、超えていれば、ステップ６に進んでタイミングチャートのｔ４で冷却ファン駆動をオンにする。
【００３２】
その後、再びステップ５に戻り、冷却されたとする温度になるまで繰り返しループする。光源の温度が冷却されたと判断される温度まで下がると、ループを抜けてステップ７に進み、冷却ファン駆動をオフして、ステップ１に戻る。これは、タイミングチャートのｔ６のタイミングである。ここでは、ファンは弾みで回転し続け、振動がある間は図１の静止検知手段４からは上位機（制御手段）２には投影レディ信号は伝達されない。静止検知手段である加速度センサが、振動の静止を検知すると、冷却ファン静止検知信号をハイレベルにしてステップ２に進む。以下、このフローを繰り返し実行する。
【００３３】
以上、第１、第２の実施形態では、投影装置１の唯一の振動源である冷却ファンが静止状態のときにのみ、３次元計測用パターンを投影する。このことで、微振動のない投影を行う投影装置、３次元計測装置並びにその制御方法およびプログラム（コンピュータを３次元計測における各手段として機能させる）を実現できる。
【００３４】
（変形例１）
上述した実施形態では、駆動手段および投影手段を含む投影装置１の筐体の内部または外部の振動を検知する構成を採ることに相当し、同じ筐体内の駆動手段の振動を検知することは、同じ筐体内の投影手段の振動を検知することに相当するというものであった。しかし、本発明はこれに限らず、駆動手段、投影手段の一方のみを含む筐体の振動を検知する構成としても良い。駆動手段のみを含む筐体の振動を検知する構成とする場合には、駆動手段の振動が静止したことを検知できれば、投影手段の振動による影響は無いものと間接的に認識できる。
【００３５】
一方、投影手段のみを含む筐体の振動を検知する構成（例えば投影手段のみを含む筐体の内部または外部に加速度センサを設ける）とする場合には、投影手段の振動による影響が無い静止状態を直接的に認識できる。
【００３６】
（変形例２）
上述した実施形態では、投影手段に関連して設けられる駆動手段として、冷却ファン用モータ３が、投影装置１における唯一の振動源であるとしたが、上記唯一の駆動手段として冷却ファン用モータ３とは別のものであっても良い。例えば、投影装置の投影光学系の焦点合わせ、変倍のためのモータであっても良い。また、投影手段に関連して設けられる駆動手段として、冷却ファン用モータ３と、上記投影装置の投影光学系の焦点合わせ、変倍のためのモータ等を投影装置１内に併せ持つものであっても良い。
【００３７】
即ち、計測対象物体に３次元計測用パターンを投影可能な投影手段と、投影手段に関連して設けられる駆動手段と、駆動手段、投影手段の少なくとも一方の振動を検知する振動検知手段と、を備える場合に本発明は適用できる。
【符号の説明】
【００３８】
１・・投影装置、２・・上位機（制御手段）、３・・冷却ファンモータ、４・・静止検知手段、５・・投影装置制御部、６・・投影部
【図１】
2013117380.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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